摇臂钻床液压控制系统的设计综述.docx
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摇臂钻床液压控制系统的设计综述
目次
1绪论1
1.1液压技术的应用1
1.2我国液压传动技术的历史进展与趋势1
1.3液压传动系统的优缺点3
1.3.1优点3
1.3.2缺点4
2液压系统方案设计6
2.1制定调速方案6
2.2制定压力控制方案7
2.3制定顺序动作方案7
2.4选择液压动力源7
2.5绘制液压系统图8
3液压执行元件的设计计算与选用10
3.1确定液压系统的主要参数10
3.1.1摇臂钻床控制控制液压系统的主要设计参数10
3.1.2初步估算系统工作压力10
3.1.3系统工作流量的选择10
3.2管道尺寸的确定10
3.2.1油管类型的选择10
3.2.2油管尺寸的确定11
3.3各类阀的选择11
3.3.1换向阀的选取12
3.3.2单向阀的选择12
3.3.3减压阀的选择12
3.3.4压力继电器的选择12
3.4液压泵的选择13
3.5液压泵驱动电机的选择14
3.6液压马达的选取14
3.7确定油箱的有效容积14
3.8液压缸的载荷力计算15
4系统性能验算16
4.1沿程压力损失16
4.2局部压力损失16
5系统发热量的计算18
5.1计算发热功率18
5.2计算散热功率18
6液压系统安装、调试、维护20
6.1.1液压元件质量检查20
6.1.2液压辅件质量检查20
6.1.3管子和接头质量检查21
6.2液压管道的安装要求22
6.3液压件安装要求24
6.3.1泵的安装24
6.3.2集成块的安装25
6.4液压系统清洗25
6.5调试26
6.6保养26
结论28
致谢29
参考文献30
1绪论
1.1液压技术的应用
液压技术与现代社会中人们的日常生活、工农业生产、科学研究活动产生着日益密切的关系，已成为现代机械设备和装置中的基本技术构成、现代控制工程的基本技术要素和工业及国防自动化的重要手段，并在国民经济各行业以及几乎所有技术领域中日益广泛应用，应用液压技术的程度已经成为衡量一个国家工业化水平的重要标志[1,2]。
液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。
因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。
液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。
现代机械一般多是机械、电气、液压三者紧密联系结合的一个综合体。
液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传统形式，液压传动系统的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位[3]。
从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面承受的压力比较小，而大的活塞上承受的压力也就比较大，这样能够保持液体的静止。
所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的[4]。
图1-1液压传动基本原理
1.2我国液压传动技术的历史进展与趋势
我国的液压技术是随着新中国的建立、发展而发展起来的，从1952年上海机床厂试制出我国第一台液压元件（齿轮泵）起，迄今，大致经历了创业奠基、体系建立、成长发展、引进提高等几个发展阶段[5]。
20世纪50年代初期，我国没有专门的液压元件制造厂，上海、天津、沈阳、长沙等地机床厂的液压车间自产自用仿前苏联的颈项柱塞泵、叶片泵、组合机床用液压操纵版、磨床操纵箱及液压刨床等元件。
此期间的液压产品多为管式连接，结构差，性能基本上是国际上20世纪40年代的水平[6,7]。
进入20世纪60年代，液压技术的应用从机床行业逐步推广到农业机械和工业机械等领域，为了解决仿苏产品品种单调、结构笨重和性能落后的问题，并满足日益增长的主机行业的需要，我国的液压工业从仿制开始走向自行开发设计的道路。
1965年，为适应液压机械从低压向高压方向的发展，成立了榆次液压件厂，并引进了日本油研公司公称压力为21MPa的中高压系列液压阀及其全部制造加工和实验设备。
同时引进30万美元的液压元件国外样机，组织测绘仿制[8,9]。
1966年，北京机床研究所研制成功了喷嘴挡板式电液伺服阀并用于电火花机床。
1967年济南铸锻机械研究所完成了32MPa的CY14-1型轴向柱塞泵的系列设计。
直至1968年我国液压元件产量已接近20万件。
至此我国已基本形成一个独立的液压元件制造工业体系。
20世纪70年代，在高压液压阀品种规格逐渐增多的情况下，为了实现标准化、系列化和通用化，扩大品种，提高质量，追赶国际先进水平。
1973年，有关科研单位、高等院校、液压阀专业制造厂等10多个单位参加，组成液压阀联合设计组，在分析对比国内外同类液压阀产品的设计、结构、性能、工艺特点及国内液压阀生产现状基础上，完成了我国公称压力32MPa高压阀新系列图纸的设计。
可以说，整个70年代是我国液压元件品种发展最多的时期之一。
进入20世纪80年代后，在国家改革开放的方针的指引下，随着机械工业的发展，基础件滞后于主机的矛盾日益突出，并引起有关政府部门的重视。
为此，原一机部于1982年组建了通用基础件工业局，将原分散在机床、农业机械、工程机械等行业归口的液压专业厂，统一划归通用基础件工业局管理，从此我国的液压工业进入了快速发展时期，先后引进了40余项国外先进液压技术[10]。
经过半个世纪的努力，我国液压行业已形成了门类比较齐全，有一定生产能力和技术水平的工业体系。
目前我国的液压产品有1200个品种、1000多个规格，已基本能适应各类主机产品的一般需求。
现在，我国的液压元件制造业已能为包括金属材料工程、机床与汽车工业、电力与煤炭行业、石油天然气探采与化工装备、矿山及冶金机械、铁路与公路运输、建材建筑、工程机械及农林牧机械、家电五金、轻工纺织、航空与河海工程、计量质检与特种设备、国防及武器装备、公共设施与环保等行业在内的多种部门提供较为齐全的液压元件产品[11]。
21世纪是信息化、网络化、知识化和全球化的世纪，信息技术、生命科学、生物技术和纳米技术等新科技的日益进展将对液压传动与控制技术的研究、设计观念及方法、对包括液压阀在内的各类液压产品的结构与工艺、对其应用领域以及企业的经营管理模式产生深刻影响并带来革命性变化。
在社会和工程需求的强力推动及机械与电气传动及控制的挑战下，液压传动与控制技术将依托机械制造、材料工程、微电子及计算机、数学及力学、控制科学，不断发挥自身优势，满足顾客需求，变的更为绿色化、机械电子一体化、模块化、智能化和网络化，将自身推进到新的水平。
可以预见，液压技术也将获得进一步发展，它在各个工业部门中的用应，也将会越来越广泛[12,13]。
1.3液压传动系统的优缺点
液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。
其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。
液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。
齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。
其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。
除了上述的元件以外，液压控制系统还需要液压辅助元件。
这些元件包括管路和管接头、油箱、过滤器、蓄能器和密封装置。
通过以上的各个器件，我们就能够建设出一个液压回路。
所谓液压回路就是通过各种液压器件构成的相应的控制回路。
根据不同的控制目标，我们能够设计不同的回路，比如压力控制回路、速度控制回路、多缸工作控制回路等。
液压传动的应用性是很强的，比如装卸堆码机液压系统，它作为一种仓储机械，在现代化的仓库里利用它实现纺织品包、油桶、木桶等货物的装卸机械化工作。
也可以应用在万能外圆磨床液压系统等生产实践中。
这些系统的特点是功率比较大，生产的效率比较高，平稳性比较好[14]。
1.3.1优点
1）传动平稳在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。
油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上，例如磨床几乎全都采用了液压传动。
2）质量轻体积小液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。
例如我国生产的1m3挖掘机在采用液压传动后，比采用机械传动时的质量减轻了1t。
3）承载能力大液压传动易于获得很大的力和转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等。
4）容易实现无级调速在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且调速范围很大，可达2000：
1，很容易获得极低的速度。
5）易于实现过载保护液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事故。
6）液压元件能够自动润滑由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。
7）容易实现复杂的动作采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如仿形车床的液压仿形刀架、数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件。
8）简化机构采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。
9）便于实现自动化液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。
目前，液压传动在组合机床和自动线上应用得很普遍[15,16]。
10）便于实现“三化”液压元件易于实现系列化、标准化和通用化．也易于设计和组织专业性大批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本。
1.3.2缺点
1）液压元件制造精度要求高由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用维护比较严格。
2）实现定比传动困难液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间不可避免的要有泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。
因此不宜应用在在传动比要求严格的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的传动系统。
3）油液受温度的影响由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下工作。
4）不适宜远距离输送动力由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输送动力。
5）油液中混入空气易影响工作性能油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受到影响。
6）油液容易污染油液污染后，会影响系统工作的可靠性。
7）发生故障不易检查和排除。
2液压系统方案设计
液压系统是机械伺服装置中的经典结构。
即使在机电类元件获得长足进步的今天，液压系统仍以其高功率、重量比、响应快、低速特性好等特点而在不少系统当中扮演举足轻重的角色。
在现代电子和控制技术推动下涌现出了一些原理新颖，物美价廉的液压元器件，给这一传统的技术带来了新的生机。
液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行。
着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。
2.1制定调速方案
目前，大部分的钻床机床的卡盘，钻头等都是由液压来控制的。
而他们的基本工作原理都是：
通过液压系统回路，来实现控制卡盘的卡紧，松开及对不同的零件类型来实现正钻、反钻的控制。
而它们的工作循环大都为：
快进
卡紧
保压
钻孔
松开
其中快进和卡紧并不是通过高低压的换向来控制，而是通过负载的增加来实现的，而保压过程是通过换向阀来实现的，而它是保证卡紧力在突然断电等事故发生时保护设备和人员安全的必要设备。
方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。
对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。
对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。
速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。
相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合——容积节流调速。
节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。
此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用闪流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。
节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。
进油节流启动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。
调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。
容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。
其优点是没有溢流损失和节流损失，效率较高。
但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。
此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。
容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。
此种调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但其结构比较复杂。
2.2制定压力控制方案
液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或无级调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。
在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。
在有些液压系统中，有时需要流量不大的高压油，这时可考虑用增压回路得到高压，而不用单设高压泵。
液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。
在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。
2.3制定顺序动作方案
在液压系统中，如果一个油源供给液压执行器压力油时，这些执行器会因压力和流量的彼此影响而在动作上相互牵制。
因此，必须使用一些特殊的回路才能实现预定的动作要求。
顺序动作回路的功用是使液压系统中的多个执行器严格地按规定的顺序动作。
按控制方式可分为压力控制、行程控制和时间控制三类。
压力控制回路是用油路中压力的差别自动控制多个执行元件先后动作的回路。
行程控制顺序动作回路是在液压缸移动一段规定行程后，由机械机构或电器元件作用，改变液流方向，使另一液压缸移动的回路。
时间顺序动作回路是采用延时阀、时间继电器等延时元件，使多个液压缸按时间先后完成动作的回路。
对于顺序动作要求严格的多执行器液压系统，采用行程控制回路实现顺序动作更为合适。
行程开关安装比较方便，而用行程阀需连接相应的油路，因此只适用于管路联接比较方便的场合。
2.4选择液压动力源
液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。
节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。
容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。
为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。
对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。
对长时间所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。
油液的净化装置是液压源中不可缺少的。
一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。
为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。
根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施[17]。
2.5绘制液压系统图
根据上述分析，可以基本拟订本次所设计的数控机床液压控制系统的原理图及电磁铁动作表：
1液位计;2空气滤清器;3油箱;4液压泵电机;5过滤器;
6单向变量液压泵;7,13减压阀;8,14压力继电器;9,15三位四通换向阀;
10,11,16,17双单向节流阀;12液压缸;18双向变量液压马达
图2-1液压原理图
表2-1电磁铁动作
YV1
YV2
YV3
YV4
缸进给
+
-
缸返回
-
+
马达正转
+
-
马达反转
-
+
整机的液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。
各回路相互组合时要去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。
注意各元件间的联锁关系，避免错误动作发生。
要尽量减少能量损失环节。
提高系统的工作效率。
为便于液压系统的维护和监测，在系统中的主要路段要装设必要的检测元件（如压力表、温度计等）。
各液压元件尽量采用国产标准件，在图中要按国家标准规定的液压元件职能符号的常态位置绘制。
对于自行设计的非标准元件可用结构原理图绘制。
系统图中应注明各液压执行元件的名称和动作，注明各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有电磁铁、行程阀及其他控制元件的动作表。
3液压执行元件的设计计算与选用
3.1确定液压系统的主要参数
液压系统的主要参数就是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。
压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。
3.1.1摇臂钻床控制控制液压系统的主要设计参数
系统工作压力：
2.8MPa—3.5MPa
系统流量：
18L/min
马达工作压力：
1.8MPa
马达转速范围：
150r/min—2000r/min
液压缸工作压力：
1.5MPa
3.1.2初步估算系统工作压力
此钻床液压控制系统，压力最大时是在马达全速运转时，此时，油压是由液压泵提供的，其它工况时，载荷都没有此时大，所以系统的工作压力暂定为此时的工作压力1.8Mpa。
而液压系统的最大工作压力应按下式计算：
P1=Ps+
（3-1）
式中P1－系统最大工作压力
－液压缸或液压马达最大工作压力
－从液压泵到液压马达或液压缸之间总的管路损失，可按经验数据选取：
管路简单，流速不大的取
。
也可选取高于0.5Mpa的压力，由于本系统流速较低，所以取
为0.5MPa。
由本设计系统求得：
该系统的最大工作压力取
。
3.1.3系统工作流量的选择
由于在工况中已经给出系统的最大流量所以在这里就不对系统的最大流量进行计算。
用工况中给出的系统最大流量：
。
3.2管道尺寸的确定
此处省略 NNNNNNNNNNNN字。
如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：
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该论文已经通过答辩
3.4液压泵的选择
选择液压泵的主要依据是其最大工作压力和最大流量，同时还要考虑定量或变量、转速、容积效率等。
1）确定液压泵的额定压力
：
（3-3）
－从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。
的准确计算要待元件选定并会出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：
管路简单，流速不大的，取
。
2）确定液压泵的流量
：
（3-4）
式中K－泄露系数一般取1.1～1.3，本文取K=1.2；
－系统最大流量
一般比系统流量大2L/min～3L/min
3）选择泵的规格
根据以上求得的
和
值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或手册中选择相应的液压泵。
为使液压泵有一定的压力储备，所以选择的泵的额定压力一般要比最大工作压力大
。
泵取YBX-16限压式变量泵，排量调节为0ml/r～25ml/r，额定压力6.3Mpa，调节范围
，转速
，额定功率为2.6Kw，效率
。
3.5液压泵驱动电机的选择
液压泵在额定压力和额定流量下工作时，其驱动电机的功率一般可直接从产品样本或技术手册中查得，但其数值在实际中往往偏大。
因此，也可以根据具体工况用下述方法计算出来。
整个系统中所需功率最大的工况是发生在马达最大转速的情况下。
（3-5）
式中
－泵的最大工作压力
－泵的流量
－泵的总效率
综上所述，由厂家样本中查出本系统所选择的电机型号为Y100L2-4额定功率3kw转速1420r/min。
3.6液压马达的选取
马达工作压力为1.8Mpa。
选用YM-A19B，理论排量19ml/r，额定压力6.0Mpa，调速范围150r/min-2000r/min，最高转矩10N
m-80N
m，机械效率大于
。
马达的载荷转矩
（3-6）
取马达的机械效率0.95，则理论转矩为
（3-7）
3.7确定油箱的有效容积
常见的油箱类型有整体式油箱、两用油箱和独立油箱三种，而独立油箱应用最为广泛，常用于各类工业生产设备，通常做成矩形的，也有圆柱形的或油罐系形的。
容量是油箱的主要参数，通常按液压泵的额定流量估算确定。
（3-8）
式中
－泵每分钟排出的容积；
－与系统压力有关的经验系数：
低压系统
，中压系统
，高压系统
。
本设计为低压系统，故取
；
取V=100L
3.8液压缸的载荷力计算
液压缸是一类只用最为广泛的执行器，结构类型多样，下面介绍一下双作用单活塞干液压缸的载荷力的计算方法。
液压缸尺寸（由系统给出）
D=50mm,d=28mm行程为35mm
（3-9）
式中d－油缸内经；
P－油缸压力；
进给时
（3-10）
返回时
（3-11）
表3-3液压油缸的载荷力
名称
工况
活塞上的载荷力
卡紧油缸
进给
2.94KN
返回
2.03KN
4系统性能验算
本系统比较简单，执行元件较少并且动作简单。
管路损失很小，故主要验算各元件的压力损失对系统造成的影响。
4.1沿程压力损失
主要是压油管的压力损失，管长0.5m，内径0.01m，流量18L/min选用L-HL矿物油型液压油，正常运转时的运动粘度V=35.2
，油液的密度
。
油在管中实际的流速为
（4-1）
（4-2）
油在管路中呈乱流流动状态，其沿程阻力系数为：
（4-3）
（4-4）
4.2局部压力损失
局部压力损失包括通过管路中折管和管接头等处的管路局部压力损失，以及通过控制阀的局部压力损失，其中管路局部压力损失相对来说小得多，故主要计算通过控制阀的局部压力损失。
参看系统原理图可知从泵口到执行元件要经过减压阀，节流阀，换向阀各阀的性能如下表5-1所示：
表4-1各阀额定压力损失
名称
额定流量
额定压力损失
减压阀
30L/min
0.21Mpa
节流阀
80L/min
0.315Mpa
换向阀
80L/min
0.35Mpa
所以通过各阀的局部压力损失之和为：
（4-5）
由以上计算结果可求得此系统总的压力损失为：
泵的出口压力距泵的额定压力有一定的压力裕度，所以泵的选取是合适的。
5系统发热量的计算
5.1计算发热功率
系统发热来源于系统内部的能量损失，如液压泵和执行元件的功率损失、溢流阀的溢流损失、液压阀及管道的压力损失等。
这些能量损失转换为热能，使油液温度升高。
油液的温升使粘度下降，泄漏增加，同时，使油分子裂化或聚合，产生树脂状物质，堵塞液压元件小孔，影响系统正常工作，因此必须使系统中油温保持在允许范围内。
因为液压阀等液压元件能量损失较少，故本文主要计算液压泵的发热功率。
（5-1）
式中：
PS为液压泵的输入功率（W）；
η为液压泵的总效率；
5.2计算散热功率
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